Trojrozměrná struktura hemoglobinu. Čtyři podjednotky jsou zobrazeny červeně a žlutě a hemové skupiny zeleně.
Hemoglobin nebo hemoglobin (často zkráceně Hb) je železo obsahující kyslík transportní metalloprotein v červených krvinkách u savců a jiných zvířat. Hemoglobin u obratlovců transportuje kyslík z plic do zbytku těla, například do svalů, kde uvolňuje kyslíkovou zátěž. Hemoglobin má také celou řadu dalších funkcí transportu plynu a modulace účinku, které se liší druh od druhu a které u bezobratlých mohou být dosti rozmanité.
Název hemoglobin je zřetězení hemu a globinu, což odráží skutečnost, že každá podjednotka hemoglobinu je globulární protein s vloženou hemovou (nebo hemovou) skupinou; každá hemová skupina obsahuje atom železa, a to je zodpovědné za vazbu kyslíku. Nejběžnější typy hemoglobinu obsahují čtyři takové podjednotky, každá s jednou hemovou skupinou.
Mutace v genech pro protein hemoglobinu u lidí vedou ke skupině dědičných onemocnění nazývaných hemoglobinopatie, jejichž nejčastějšími členy jsou srpkovitá buněčná choroba a talasemie. Historicky v humánní medicíně byly hemaglobinopatie prvními nemocemi, které byly pochopeny v mechanismu dysfunkce, až na molekulární úroveň.
Molekula hemoglobinu u člověka je sestava čtyř kulových proteinových podjednotek. Každá podjednotka je složena z proteinového řetězce těsně spojeného s nebílkovskou hemovou skupinou.
Každý jednotlivý proteinový řetězec se uspořádá do sady alfa-helixových strukturních segmentů spojených dohromady v uspořádání „myoglobin fold“, tzv. protože toto uspořádání je stejný skládací motiv používaný v heme/globinových proteinech. Tento skládací vzor obsahuje kapsu, která je vhodná pro silnou vazbu hemové skupiny.
Hemová skupina se skládá z atomu železa drženého v heterocyklickém kruhu, známém jako porfyrin. Tento atom železa je místem vazby kyslíku. Atom železa je vázán rovnoměrně ke všem čtyřem dusíkům ve středu kruhu, které leží v jedné rovině. Dvě další vazby kolmé k rovině na každé straně mohou být vytvořeny s železem do páté a šesté vazebné polohy, jedna je silně spojena s bílkovinou, druhá je k dispozici pro vazbu molekuly kyslíku. Atom železa může být buď ve stavu Fe2+ nebo Fe3+, ale ferrihemoglobin (methemoglobin) (Fe3+) nemůže vázat kyslík.
Fe2+ v hemoglobinu může existovat buď ve vysokospinovém (neokysličeném) nebo nízkospinovém (okysličeném) stavu, podle populace d-orbitalové struktury železa (II) s jeho 6 dostupnými d elektrony, jak je chápána v teorii krystalového pole. Při vazbě molekuly kyslíku jako šestého ligandu na železo se atom železa (II) nachází v oktaedrálním poli (definovaném šesti ligandovými body čtyř porfyrinových kruhových dusíků, histaminového dusíku a O2). Za těchto okolností, při ligandech se silným polem, prochází pět d-orbitalů (to jsou „3d“ orbitaly železa) štěpením energie mezi dva d-orbitaly, které směřují přímo ve směru ligandů (orbitaly dz2 a dx2-y2, hybridizované za těchto okolností do dvou eg orbitalů), a tři d-orbitaly, které směřují mimo-směry (dxy ,dxz, a dyz, hybridizované za těchto okolností do tří t2g orbitalů).
Když je kyslík vázán na Fe2+ v hemu, je všech 6 d-elektronů atomu železa vtlačeno do tří nízkoenergetických t2g orbitalů, kde musí být všechny spárovány (viz teorie krystalového pole pro diagram). Tím vzniká stav „nízkého točení“ oxyhemoglobinu. Ostrá vysoká energie přechodu mezi t2g a prázdným např. stavem d-orbitalových elektronů v oxyhemoglobinu je zodpovědná za jasně červenou barvu látky. Když kyslík opustí, Fe2+ se může pohybovat mimo rovinu porfyrinového kruhu, pryč od svých pěti ligandů směrem k prázdnému prostoru dříve obsazenému O2, a za těchto okolností např. poklesnou orbitální energie a t2g elektrony se do nich přesunou. To způsobí, že se atom železa rozšíří a zvýší jeho čistý točení, protože d-orbitaly se zalidní nespárovanými elektrony. Za těchto okolností se absorpční spektrum rozšíří, s menšími úrovněmi přechodu, čímž vzniká tmavá barva deoxyhemoglobinu.
U dospělých lidí je nejčastějším typem hemoglobinu tetramer (který obsahuje 4 podjednotkové proteiny) nazývaný hemoglobin A, skládající se ze dvou α a dvou β podjednotek nekovalentně vázaných, z nichž každá je tvořena 141, respektive 146 aminokyselinovými zbytky. Ten je označován jako α2β2. Podjednotky jsou strukturně podobné a přibližně stejně velké. Každá podjednotka má molekulovou hmotnost asi 16 000 daltonů, na celkovou molekulovou hmotnost tetrameru asi 64 000 daltonů. Hemoglobin A je nejintenzivněji studován z molekul hemoglobinu.
Čtyři polypeptidové řetězce jsou navzájem vázány solnými můstky, vodíkovými vazbami a hydrofobní interakcí. Existují dva druhy kontaktů mezi α a β řetězci: α1β1 a α1β2.
Druhy hemoglobinů u lidí
Vazba a uvolňování ligandů indukuje konformační (strukturální) změnu hemoglobinu. Zde vazba a uvolňování kyslíku ilustruje strukturální rozdíly mezi oxy- a deoxyhemoglobinem, respektive.
Jak bylo popsáno výše, když je kyslík vázán na Fe2+ v hemu, je všech 6 d-elektronů vtlačeno do tří nízkoenergetických t2g orbitalů, kde jsou všechny spárovány. To způsobí kontrakci atomu železa a způsobí, že se přesune zpět do středu porfyrinové kruhové roviny (viz pohyblivý diagram). Ve stejnou dobu je samotná porfyrinová kruhová rovina vytlačena od kyslíku směrem k histaminu interagujícímu na druhém pólu železa. Interakce zde nutí kruhovou rovinu stranou směrem k vnější straně tetrameru a také vyvolává napětí na proteinové šroubovici obsahující histamin, jak se pohybuje blíže k železu. To způsobuje tahání za toto peptidové vlákno, které má tendenci otevírat hemové jednotky ve zbytku molekuly, takže je zde více prostoru pro kyslík, který se váže na jejich hemových místech.
V tetramerické formě normálního dospělého hemoglobinu je tedy vázání kyslíku kooperativním procesem. Vazebná afinita hemoglobinu ke kyslíku je zvýšena saturací molekuly kyslíkem, přičemž první vázané kyslíky ovlivňují tvar vazebných míst pro další kyslíky, a to způsobem příznivým pro vázání. Tato pozitivní kooperativní vazba je dosažena sterickými konformačními změnami proteinového komplexu hemoglobinu, jak je popsáno výše, tj. když se jedna podjednotková bílkovina v hemoglobinu okysličí, vyvolá to konformační nebo strukturální změnu celého komplexu, což způsobí, že ostatní podjednotky získají zvýšenou afinitu ke kyslíku. V důsledku toho je křivka vázání kyslíku u hemoglobinu sigmoidní, neboli ve tvaru S, na rozdíl od normální hyperbolické křivky spojené s nekooperativní vazbou.
Schopnost hemoglobinu vázat kyslík se v přítomnosti oxidu uhelnatého snižuje, protože oba plyny soupeří o stejná vazebná místa na hemoglobinu, vazba oxidu uhelnatého přednostně místo kyslíku. Oxid uhličitý zaujímá na hemoglobinu jiné vazebné místo. Prostřednictvím enzymu karboanhydrázy oxid uhličitý reaguje s vodou za vzniku kyseliny uhličité, která se rozkládá na hydrogenuhličitany a protony:
Sigmoidní tvar křivky disociace hemoglobinu s kyslíkem je výsledkem kooperativní vazby kyslíku na hemoglobin.
Proto krev s vysokou hladinou oxidu uhličitého má také nižší pH (kyselejší). Hemoglobin může vázat protony a oxid uhličitý, což způsobuje konformační změnu bílkoviny a usnadňuje uvolňování kyslíku. Protony se vážou na různých místech podél bílkoviny a oxid uhličitý se váže na alfa-aminovou skupinu tvořící karbamát. Naopak, když se hladina oxidu uhličitého v krvi sníží (tj. v plicních kapilárách), oxid uhličitý a protony se uvolňují z hemoglobinu, čímž se zvyšuje kyslíková afinita bílkoviny. Tato kontrola afinity hemoglobinu ke kyslíku vazbou a uvolněním oxidu uhličitého a kyseliny je známá jako Bohrův efekt.
Vazba kyslíku je ovlivněna molekulami, jako je oxid uhelnatý (CO) (například z kouření tabáku, aut a pecí). CO konkuruje kyslíku v místě vazby hemu. Vazebná afinita hemoglobinu k CO je 200krát větší než jeho afinita ke kyslíku, což znamená, že malé množství CO dramaticky snižuje schopnost hemoglobinu přenášet kyslík. Když se hemoglobin spojí s CO, vytvoří velmi jasně červenou sloučeninu zvanou karboxyhemoglobin. Když inspirovaný vzduch obsahuje hladinu CO tak nízkou jako 0,02%, objeví se bolest hlavy a nevolnost; pokud se koncentrace CO zvýší na 0,1%, následuje bezvědomí. U těžkých kuřáků může být až 20% míst aktivních s kyslíkem blokováno CO.
Podobně má hemoglobin také kompetitivní vazebnou afinitu ke kyanidu (CN-), oxidu siřičitému (SO), oxidu dusičitému (NO2) a sulfidu (S2-), včetně sirovodíku (H2S). Všechny tyto látky se vážou na železo v hemu, aniž by měnily jeho oxidační stav, ale přesto inhibují vazbu kyslíku, což způsobuje závažnou toxicitu.
Atom železa v hemové skupině musí být v oxidačním stavu Fe2+, aby podporoval vazbu a transport kyslíku a dalších plynů. Oxidace na Fe3+ přeměňuje hemoglobin na hemiglobin nebo methemoglobin (vyslovuje se „MET-hemoglobin“), který nemůže vázat kyslík. Hemoglobin v normálních červených krvinkách je chráněn redukčním systémem, aby k tomu nedocházelo. Oxid dusičitý a oxid dusný jsou schopny přeměnit malou část hemoglobinu na methemoglobin, nicméně to obvykle nemá lékařský význam (oxid dusičitý je jiným mechanismem jedovatý a oxid dusný se běžně používá v chirurgické anestezii u většiny lidí bez zbytečného hromadění methemoglobinu).
U lidí aklimatizovaných na vysoké nadmořské výšky se zvyšuje koncentrace 2,3-bisfosfoglycerátu (2,3-BPG) v krvi, což těmto jedincům umožňuje dodávat větší množství kyslíku do tkání za podmínek nižšího kyslíkového napětí. Tento jev, kdy molekula Y ovlivňuje vazbu molekuly X na transportní molekulu Z, se nazývá heterotropní alosterický efekt.
Varianta hemoglobinu, nazývaná fetální hemoglobin (HbF, α2γ2), se nachází ve vyvíjejícím se plodu a váže kyslík s větší afinitou než dospělý hemoglobin. To znamená, že křivka vázání kyslíku u fetálního hemoglobinu je posunutá doleva (tj. vyšší procento hemoglobinu má kyslík vázán na něj při nižším kyslíkovém napětí), v porovnání s dospělým hemoglobinem. Výsledkem je, že fetální krev v placentě je schopna přijímat kyslík z mateřské krve.
Degradace hemoglobinu u obratlovců
Když červené krvinky dosáhnou konce svého života v důsledku stárnutí nebo defektů, jsou odbourány a molekula hemoglobinu se rozpadne a železo se recykluje. Když se porfyrinový kruh
rozpadne, fragmenty jsou normálně vylučovány žlučí játry. Hlavním konečným produktem degradace hemu je bilirubin. Zvýšené hladiny této chemické látky jsou detekovány v krvi, pokud jsou červené krvinky ničeny rychleji než obvykle. Nedokonale degradovaný protein hemoglobinu nebo hemoglobin, který byl uvolněn z krvinek příliš rychle, může ucpat malé cévy, zejména jemné cévy filtrující krev v ledvinách, což způsobuje poškození ledvin.
Snížená hladina hemoglobinu, s absolutním poklesem červených krvinek nebo bez něj, vede k příznakům anémie. Anémie má mnoho různých příčin, i když nedostatek železa a jeho výsledná anémie z nedostatku železa jsou nejčastější příčiny v západním světě. Vzhledem k tomu, že absence železa snižuje syntézu hemu, červené krvinky v anémii z nedostatku železa jsou hypochromické (chybí červený hemoglobin pigment) a mikrocytární (menší než normální). Jiné anémie jsou vzácnější. V hemolýze (zrychlený rozpad červených krvinek), přidružená žloutenka je způsobena hemoglobin metabolit bilirubin, a cirkulující hemoglobin může způsobit selhání ledvin.
Mutace v globinovém řetězci jsou spojovány s hemoglobinopatiemi, jako je srpkovitá anémie a thalasémie.
Existuje skupina genetických poruch, známých jako porfyrie, které
jsou charakterizovány chybami v metabolických drahách syntézy hemu.
Král Jiří III. z Velké Británie byl pravděpodobně nejznámějším nemocným porfyrií.
V malé míře se hemoglobin A pomalu kombinuje s glukózou na určitém místě v molekule. Výsledná molekula je často označována jako Hb A1c. Se zvyšující se koncentrací glukózy v krvi se zvyšuje procento Hb A, které se mění na Hb A1c. U diabetiků, jejichž hladina glukózy je obvykle vysoká, je procento Hb A1c také vysoké. Vzhledem k pomalému poměru Hb A v kombinaci s glukózou je procento Hb A1c reprezentativní pro průměrnou hladinu glukózy v krvi za delší dobu (poločas červených krvinek, který je typicky 50-55 dní).
Hladiny hemoglobinu patří mezi nejčastěji prováděné krevní testy, obvykle jako součást úplného krevního obrazu nebo kompletního krevního obrazu. Výsledky jsou uvedeny v g/l, g/dl nebo mol/l. Pro přepočet, 1 g/dl je 0,621 mmol/l. Pokud celková koncentrace hemoglobinu v krvi klesne pod stanovený bod, to se nazývá anémie. Anémie jsou dále podřazeny podle velikosti červených krvinek, což jsou buňky, které obsahují hemoglobin v obratlovcích. Mohou být klasifikovány jako mikrocytární (malé velké červené krvinky), normocytické (normální velké červené krvinky), nebo makrocytární (velké velké červené krvinky).
Hladiny glukózy v krvi se mohou každou hodinu značně lišit, takže jeden nebo jen několik vzorků od pacienta analyzovaných na přítomnost glukózy nemusí být z dlouhodobého hlediska reprezentativní pro kontrolu glukózy. Z tohoto důvodu může být vzorek krve analyzován na hladinu Hb A1c, která je reprezentativnější pro kontrolu glukózy zprůměrovanou za delší časové období (určuje se podle poločasu jednotlivých červených krvinek, který je typicky 50-55 dní). Lidé, jejichž Hb A1c má hodnotu 6,0% nebo méně, vykazují dobrou dlouhodobější kontrolu glukózy. Hodnoty Hb A1c, které jsou vyšší než 7,0%, jsou zvýšené. Tento test je zvláště užitečný u diabetiků.
Tato hladina Hb A1c je užitečná pouze u jedinců, kteří mají červené krvinky (RBC) s normálním přežíváním (tj. normálním poločasem). U jedinců s abnormálními RBC, ať už v důsledku abnormálních molekul hemoglobinu (jako je hemoglobin S u srpkovité anémie) nebo defektů blan červených krvinek – nebo jiných problémů, je poločas RBC často zkrácen. U těchto jedinců lze použít alternativní test nazvaný „hladina fruktosaminu“. Měří stupeň glykace (vazby glukózy) na albumin, nejběžnější krevní bílkovinu, a odráží průměrnou hladinu glukózy v krvi za posledních 18-21 dní, což je poločas molekul albuminu v oběhu.
Hemoglobin v biologickém rozmezí života
Hemoglobin není v žádném případě ojedinělý pro obratlovce; v celé živočišné (a rostlinné) říši existuje celá řada transportních a vázacích proteinů kyslíku. Ostatní organismy včetně bakterií, prvoků a hub mají proteiny podobné hemoglobinu, mezi jejichž známé a předpokládané role patří reverzibilní vazba plynných ligandů. Vzhledem k tomu, že mnohé z těchto proteinů obsahují globiny a také hemovou část (železo v plochém porfyrinovém nosiči), jsou tyto látky často jednoduše označovány jako hemoglobiny, i když jejich celková terciální struktura je velmi odlišná od struktury hemoglobinu obratlovců. Zejména rozlišení „myoglobinu“ a hemoglobinu u nižších živočichů je často nemožné, protože některé z těchto organismů neobsahují svaly. Nebo mohou mít rozpoznatelný oddělený oběhový systém, ale ne takový, který se zabývá transportem kyslíku (například mnoho hmyzu a jiných členovců). Ve všech těchto skupinách se heme/globin obsahující molekuly (i monomerní globinové), které se zabývají vazbou plynů, označují jako hemoglobiny. Kromě toho, že se zabývají transportem a snímáním kyslíku, mohou se tyto molekuly zabývat také NO, CO2, sloučeninami sulfidů, a dokonce i úklidem O2 v prostředích, která musí být anaerobní. Mohou se dokonce zabývat detoxikací chlorovaných materiálů způsobem analogickým s enzymy a peroxidázami obsahujícími heme P450.
Jiné biologické proteiny vázající kyslík
Myoglobin: Nalezen ve svalové tkáni mnoha obratlovců včetně člověka (dává svalové tkáni výraznou červenou nebo tmavě šedou barvu). Je velmi podobný hemoglobinu strukturou a posloupností, ale není uspořádán v tetramerech, je to monomer a postrádá kooperativní vazbu a používá se spíše k ukládání kyslíku než k jeho transportu.
Hemocyanin: Druhý nejběžnější protein transportující kyslík, který se vyskytuje v přírodě. Nachází se v krvi mnoha členovců a měkkýšů. Používá měděnou protetickou skupinu místo železných hemových skupin a při okysličení má modrou barvu.
Hemerythrin: Někteří mořští bezobratlí a několik druhů annelid používají toto železo obsahující non-hemový protein k přenosu kyslíku ve své krvi. Při okysličení vypadá růžově/fialově, při neokysličení je čirý.
Chlorokorurin: Nachází se v mnoha annelidech a je velmi podobný erythrocruorinu, ale hemová skupina má výrazně odlišnou strukturu. Při deoxygenaci vypadá zeleně a při okysličení červeně.
Vanabiny: Také známé jako Vanadium Chromagen se nacházejí v krvi Mořské stříkačky a existuje hypotéza, že jako svou protetickou skupinu vázající kyslík používají vzácný kov Vanadium, ale tato hypotéza není potvrzena.
Erythrocruorin: Nalézá se v mnoha annelidech, včetně žížal. Obří volně plovoucí krevní protein, obsahuje mnoho desítek i stovek Iron hemu obsahujících podjednotky proteinu svázané dohromady do jednoho proteinového komplexu s molekulovou hmotností větší než 3,5 milionu daltonů.
Pinnaglobin: Vyskytuje se pouze u měkkýšů Pinna squamosa. Bílkovina porfyrinu na bázi hnědého manganu.
Leghemoglobin: U luštěnin, jako je vojtěška nebo sója, jsou dusíkaté fixační bakterie v kořenech chráněny před kyslíkem tímto železitým hemem obsahujícím protein vázající kyslík.